CN1898975B - 到达时间差(tdoa)/全球定位系统(gps)混合无线定位系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于增强蜂窝电话通信系统中的移动无线电收发机的位置确定的精确度和稳定性的方法和系统，其综合来自嵌入在移动单元中的辅助全球定位系统(GPS)设备和来自基于基础设施的装置的位置相关的信息，其中基于基础设施的装置选取网络基站的信号特征数据。可用的支持间接信息可在定位中额外地被估算，以提供增强稳定性和精确度的位置估计。

Description

到达时间差(TDOA)/全球定位系统(GPS)混合无线定位系统
发明领域
本发明一般涉及无线定位系统，特别是涉及利用基于基础设施和基于手机的方法用于定位无线装置的无线定位系统。本发明的一些示例性的方面特别适用于无线定位系统和相关的方法和子系统，该子系统与全球移动通信系统，或GSM兼容。然而，应该知道，尽管这里描述的系统和方法的各方面特别与GSM系统相关，但是本说明书最后的权利要求不应被看为是限制于GSM系统，除了当它们可以被清楚地如此限制时。
发明背景
本发明涉及在无线通信网络工作范围内工作的移动射频无线电收发机的定位。特别地，主要感兴趣的移动装置是蜂窝电话，个人数字助理，无线配置的膝上计算机，以及其它类似设备，这种设备配置无线无线电收发机用于“蜂窝”电话系统下的正常工作，例如基于全球移动通信系统(GSM)的系统。这里描述的定位技术最佳地集成了GPS数据和基础设施数据和间接数据，以在可能降低在不同方法下可以得到的结果的情况下，得到增强的准确性和加强的有效性。
如同在大量现有技术中了解和指出，常规地、可靠地、以及迅速地定位蜂窝无线通信设备的能力具有在公众安全和便利设施以及商业生产力中提供重大的公众利益的可能。对于通过实现定位设备的基础设施和通信系统的基础设施而实现这种通信设备的定位，已经描述了许多系统。用于无线移动设备的定位的这种基于基础设施(或基于网络)的系统的例子可在下述专利中找到，Stilp等人的美国专利号5,327,144的专利；Stilp等人的美国专利号5,608,410的专利；Kennedy等人的美国专利号5,317,323的专利；Maloney等人的美国专利号4,728,959的专利；以及相关技术。在这种基于基础设施的系统的进一步应用中，使用间接信息以增强甚至实现定位，在Maloney等人的美国专利号5,959,580的专利中被提出，并且在Maloney等人的美国专利号6,108,555和6,119,013的专利中被进一步扩充。当可以导出或者通过其它方法得到足够的测量数据时，现有技术的对于基于基础设施的定位系统的这些和相关的下述描述可实现加强的和有效的定位性能。
基于基础设施的定位系统的使用中的主要优点是应用了用于任何一个和所有类型的移动无线通信设备的定位的技术。基础设施技术通过测量常规通信带宽传输中固有的位置相关信号的特征从而建立了定位移动设备的装置。因此传统电话模式和最近出现的无线通信设备都可以同样地被定位装置所服务。移动设备只需要使用标准无线通信系统信号格式和协议，而不需要任何特别的，针对定位的修改，以支持定位能力。
在基于基础设施的系统的应用中产生的困难是伴随其在人口稀少的，农村环境中的使用产生的。在这些环境中，未充分利用的通信设施的经济约束仅支持彼此相距很远的蜂窝地面站的通信设施的部署。由于在可用的蜂窝站点中的定位设施的稀疏部署，计算的位置的准确性相对于其在城市和郊区环境下可获得的降低了。在城市和郊区环境中，通信蜂窝站的空间密度高以满足通信量的需要，其通常不会超过每个蜂窝的能力。由于彼此相当接近的蜂窝站的定位系统设施的类似部署，定位由更多数量的起作用的测量得到，在感应位置以更高信号强度提取，为定位估计提供了更好的累积精度。基础设施设备在农村环境中的稀疏的部署密度是对基于基础设施的定位系统的准确能力的挑战。
当GPS接收机具有至开放空间的接收路径时，基于使用美国政府的全球定位系统(GPS)的定位系统是非常精确的。从空中发射信号的GPS卫星的星群提供信号，GPS接收机通过这些信号可以确定其位置。在农村环境中，天空视野开放，可以正常地实现典型的GPS精确度。
对于嵌入在移动无线通信无线电收发机中以定位移动设备的GPS接收机的使用可以在大量的现有技术中得到。这种方法的示例性描述被包括在例如1984年4月24日的美国专利号4,445,118的专利“导航系统和方法”；和2003年3月25日的美国专利号6,538,600B1的专利“利用参考位置的无线协助GPS”中。当可以以足够的信号能量接收到足够数量的相对地未失真的卫星信号时，GPS设备的精确度是相当好的。
在使用GPS增加物增强用于无线通信设备定位中，一些困难是固有的。移动设备中的GPS设备不同于通信设备，因此只有包含额外的用于GPS接收的硬件功能的电话模式能够被用于得到基于GPS的定位优势。有关GPS信号的信号处理和分析包括增加的设备以用其特殊的信号格式接收GPS频带信号。无线设备必须支持这种增加的功能的能量或功率需要。为了将移动设备中的耗用功率降到最低，GPS接收可以不连续地起作用，例如，当不需要定位支持时。然而，GPS信号的获得和接收需要在需要定位服务时搜索可用的卫星信号，当GPS接收机没有活跃地监视卫星信号一段时间时，这种搜索可能导致相对长的时间来首次定位(TTFF)。最后，GPS接收机应该能够得到和测量足够数量卫星信号的特征，这些卫星信号跨越相对宽阔和一致的天空范围，以支持定位计算的可接受的精确度。当从卫星到接收机的传播路径被堵塞或严重失真时(例如，通过多径传播)，基于GPS的解决方案不能用于定位。当GPS接收机在植物下，在地形特征之后，在建筑物内部，和/或在市区“城市峡谷“底部，其高大的建筑物遮挡天空的视线时，这种信号堵塞和失真存在。
“帮助”GPS接收机减轻一些上述困难的技术在上面引用的美国专利4,445,118和6,538,600B1中被描述。在支持辅助GPS(AGPS)接收机中，当信号强度被适度地降低时，外部AGPS基础设施可能提供有利于接收需要的GPS信号的定向信息。而且，辅助可以导致实现具有更简单，更低功率电路的GPS接收机。或许最重要的，提供给AGPS接收机的辅助以适于得到那些和只有那些当前“在上方”的卫星的参数来引导接收机。因此，辅助减少了检测卫星信号需要的信号搜索过程并从而支持具有降低的响应TTFF的增强的性能。
尽管AGPS方法提供的这些增强，在“密度大”的城市环境获得足够的GPS信号中出现的困难仍然极大地降低或有效地妨碍基于GPS的定位到不希望的程度。这些环境中的无线通信量使这些困难成为支持公众安全或紧急情况响应以及提供生产力增强中的不可接受的负担，其中的生产力增强是基于定位的服务能够促进的。
在下面的美国专利中可以找到关于无线定位的进一步的背景信息，这些专利是由TruePosition公司，本发明的受让人所拥有：2003年12月9日的美国专利6,661,379B2，用于无线定位系统的天线选择方法；2003年11月11日的美国专利6,646,604，用于语音/通信量信道跟踪的无线定位系统的窄带接收机的自动同步调谐；2003年8月5日的美国专利6,603,428，多通道定位方法；2003年5月13日的美国专利6,563,460，无线定位系统中的碰撞恢复；2003年2月11日的美国专利6,519,465，用于改进用于E-911电话的精确度的改进的传输方法；2002年12月10日的美国专利6,492,944，用于无线定位系统的接收机系统的内部校准方法；2002年11月19日的美国专利6,483,460，用在无线定位系统中的时基线选择方法；2002年10月8日的美国专利6,463,290，用于改进无线定位系统的精确度的基于移动辅助网络的技术；2002年6月4日的美国专利6,400,320的用于无线定位系统的天线选择方法；2002年5月14日的美国专利6,388,618，用于无线定位系统的信号采集系统；2002年2月26日的美国专利6,351,235，用于同步无线定位系统的接收机系统的方法和系统；2001年11月13日的美国专利6,317,081，用于无线定位系统的接收机系统的内部校准方法；2001年9月4日的美国专利6,285,321，用于无线定位系统的基于基站的处理方法；2001年12月25日的美国专利6,334,059,用于改进E-911电话的精确度的改进的传输方法；2001年11月13日的美国专利6,317,604，用于无线定位系统的中央数据库系统；2001年8月28日的美国专利6,281,834，用于无线定位系统的校准；2001年7月24日的美国专利6,266,013，用于无线定位系统的信号采集系统的体系结构；2001年2月6日的美国专利6,184,829，用于无线定位系统的校准；2001年1月9日的美国专利6,172,644，用于无线定位系统的紧急情况定位方法；2000年9月5日的美国专利6,115,599，用在无线定位系统中的定向重试方法；2000年8月1日的美国专利6,097,336，用于改进无线定位系统的精确度的方法；2000年7月18日的美国专利6,091,362，用于无线定位系统的带宽合成；1997年3月4日的美国专利5,608,410，用于定位突然传输(Bursty Transmissions)源的系统；以及1994年7月5日的美国专利5,327,144，蜂窝电话定位系统。其它示例性专利包括：2003年4月8日的美国专利6,546,256B1，加强的、高效的位置相关的测量；2002年4月2日的美国专利6,366,241，依赖于位置的信号特征的增强的确定；2001年9月11日的美国专利6,288,676，用于单个基站通信定位的装置和方法；2001年9月11日的美国专利6,288,675，单个基站通信定位系统；2000年4月4日的美国专利6,047,192，加强的、高效的定位系统；2000年8月22日的美国专利6,108,555，增强的时间差定位系统；2000年8月8日的美国专利6,101,178，用于定位无线电话的虚拟卫星增强的(Pseudolite-Augmented)GPS；2000年9月12日的美国专利6,119,013，增强的时间差定位系统；2000年10月3日的美国专利6,127,975，单个基站通信定位系统；1999年9月28日的美国专利5,959,580，通信定位系统；以及1988年3月1日的美国专利4,728,959，测向定位系统。
总之，在过去的10年中无线电信产业中的机构已经投入了大量的时间和资源用于研究无线定位技术。到目前为止在研究的技术中，所有已经被证明具有一定的优点和缺点。然而没有一项定位技术被确定在所有环境中提供最优的性能。结果，希望有一套互补的技术，这套技术一起能够提供在所有合理的环境中可被接受的性能。例如，到目前为止在大量的正在使用的配置中，基于上行链路达到时间差技术的的定位技术已经证明在城市，郊区和室内环境中提供极好的性能。U-TDOA技术不需要更改手机，因此已经证明对于现有的移动站其性能在这些相同的环境中是极好的。在一些农村环境中，蜂窝站的密度，网络几何，以及覆盖区域非常有限，已经证明没有其他定位方法辅助的情况下U-TDOA的性能降低。辅助全球定位系统(AGPS)和高级前向链路三边测量(AFLT)定位技术也具有显著的定位能力，但是它们也具有缺点。例如，在城市和室内环境中，GPS信号的接收变得十分困难并且在有些时候不可能接收到GPS信号，AGPS技术的性能在精确度和利用率上都有极大地降低。然而，已经证明U-TDOA在这些相同的城市和室内环境中，性能良好，这是因为上行链路信道的信噪比保持很高的水平并且蜂窝站的密度非常密集。此外，在城市和密集的郊区环境中，对于运营商和用户更好的精确度变得更为重要，但是多路径的影响变得更明显，AFLT技术的性能受到其不能降低多路径的影响的限制。(参考说明，GPS辅助定位技术，在坦帕的alpha试验的实地测试，1999年3月9日-4月2日，其副本在信息公开声明中递交。)已经证明在这些相同的城市和稠密的郊区环境中U-TDOA技术性能良好，这是由于其能够利用先进的超级分辨率技术降低多路径的影响。最后，U-TDOA能够覆盖100％的目前现有的移动站，包括新的AGPS和AFLT能力的移动站。然而，AGPS和AFLT定位方法，依赖于用户向有限的设备供应商购买新的定位能力的移动站。
发明概述
为了利用基于GPS性能和基于基础设施性能在定位中的明显最佳的优点，本发明提供用于集成来自两种类型的定位无线移动通信设备的方法的信息的技术。到此为止，对于不同的定位方法实现的系统体系结构没能容易地支持信息集成的需要。相反地系统设计明显地集中在定位相关数据的导出，其或者适用于GPS计算或者适用于基于基础设施的计算，而不是同时适用于两者。功能性指令，信号接收方法，以及选取和分析定位相关信息的设备和方法单独适应于解决方案的一种形式或者另一种形式，但不是同时适应于两种形式。
例如，在本发明的一个目前优选的实施中，利用GPS数据和选取的定位相关信号特征来确定配备了嵌入的GPS信号接收能力的移动站(MS)的位置。发明方法包括下述步骤：在地面站接收GPS数据，其中GPS数据是从将被定位的MS接收的；在配备定位测量设备的地面站，从将被定位的MS接收通信频带信号，并使用定位测量设备从通信频带信号选取定位相关特征数据；以及在配备定位计算的地面站，利用GPS数据和选取的定位相关特征数据执行定位计算，以得到MS的估算的定位。此外，所述方法可以进一步包括为将被定位的MS提供辅助数据。辅助数据使MS能够接收GPS粗/捕获(C/A)信号并选取TOA或伪距离测量，其随后能被传输到配备定位测量设备的地面站。而且，在分离的地面站提供GPS数据和选取的定位相关特征数据，这些可以被传输到配备定位计算的地面站，从而实现定位功能。如下面解释的，从通信频带信号选取的定位相关特征数据可以包括到达时间(TOA)数据，到达时间差(TDOA)数据，达到角(AOA)数据，信号强度或传播损耗(PL)数据，和/或定时提前量(TA)数据。此外，发明方法可以有利地包括在执行定位计算中使用间接信息。最后，所述方法可以有利地用于实现E-911需要的可用的美国联邦通信委员会(FCC)的精确度。
在本发明的另一个优选实施例中，提供了一种用于确定移动站(MS)的位置的系统，其中该移动站配备嵌入的GPS信号接收能力和被配备为在无线通信网络中工作，该系统包括：用于向将被定位的MS提供辅助数据的装置，该辅助数据使MS接收GPS粗/捕获(C/A)信号并选取到达时间(TOA)或伪距离测量；用于接收GPS数据以用在定位计算中的装置，该GPS数据是从将被定位的MS接收的；配备位置测量装置和接收机的地面站，其用于从将被无线定位的MS接收的通信频带信号并使用位置测量装置从该通信频带信号选取位置相关的特征数据；以及被配置为用于定位计算的地面站，包括用于执行该定位计算的处理器，其使用GPS数据和选取的位置相关的特征数据以得到对于MS的估计位置。此外，该系统可以进一步包括用于将GPS数据和选取的位置相关的特征数据传输到配备用于定位计算的地面站的装置。从通信频带信号选取的定位相关特征数据可以包括到达时间(TOA)数据，到达时间差(TDOA)数据，达到角(AOA)数据，信号强度或传播损耗(PL)数据，和/或定时提前量(TA)数据。此外，该系统可以有利地包括在执行定位计算中使用间接信息。最后，所述系统可以有利地用于实现E-911需要的可用的美国联邦通信委员会(FCC)的精确度。
在下面的详细描述中讲述了本发明的用于共同综合利用所有相关的采集的数据的这些和其它创新的方法。
附图说明
图1描述本发明的一个实施例的部件和其互相通信的路径；
图2表示定位处理部件的内部连通性；
图3示出了用于执行最佳地集成GPS数据和基础设施信息的定位估计的主要功能和其相互作用。
具体实施方式
现在，我们将描述本发明的示例性实施例，该描述以概述集成了无线定位方法的本发明为开始。在这之后，我们讨论辅助GPS(AGPS)，在两个系统部件之间和多个系统部件之中的功能的相互作用，定位依赖的测量，GPS卫星空间飞行器(SV)发射机定位，时基校准，四参数定位，差分GPS，大致位置确定，间接信息，坐标关系，约束的TDOA/FDOA，增强的GSM同步，以及用于增加容量/服务水平的混合系统。
概述：综合的无线定位
本发明提供用于确定无线通信移动站(MS)设备的位置和运动的技术，无线通信移动站(MS)设备例如是蜂窝电话或个人数字助理，或类似物。通过用于全球定位系统(GPS)信号和通信基础设施信号以及关联的位置指示的，间接的，基础设施和环境信息的结合的位置相关射频(RF)信号特征测量的整体评估，来确定位置参数。通过嵌入在将被定位的通信设备中的GPS接收机设备，接收GPS卫星空间飞行器(SV)信号以支持MS位置的确定。主要感兴趣的典型的GPS测量是GPS传输频带中的SV信号到达接收的MS位置的时间。此外，在MS设备和地面站(LS)位置使用的通信系统基础设施设备中固有的通信设备提供通信频带信号，该信号也被处理以用于定位相关参数的计算。这些基于基础设施的信号特征包括信号到达时间或时间差(TOA或TDOA)，信号到达角度(AOA)，接收的信号的功率水平(在MS处和/或在LS处)，以及用于感兴趣的MS的通信系统定时提前量(TA)信息。本发明描述了实现和应用关于两种信号测量信息的综合以用于MS位置最佳估计的确定的技术，其中两种信号，即，在GPS和通信频带内的信号。此外，通过综合除与直接信号特征测量关联的信息之外的补充的或间接的信息，本发明的稳定性或有效性和精确度可以被进一步改善，其中补充的或间接的信息提供可能的MS位置的进一步条件的或大概的指示。
如图1所示，本发明为MS定位，其中MS嵌入用于GPS信号接收和用于无线通信信号的传输和接收的设备，其中的信号格式与无线通信系统(WCS)的信号格式和协议一致。MS 101接收从GPS SV 103发射的GPS信号102。MS同时发射在LS 105被接收的无线通信信号104，LS 105被配备无线通信天线结构。这些LS 105也配备测量单元以处理接收的信号和选取与MS的位置有关的信号特征。另外这些LS 105配备GPS接收机以接收GPS信号106。一般地这些LS设备安装在相同的物理蜂窝位置，在这里实现蜂窝WCS基础设施的基础无线电收发台(BTS)。LS通过链路107构成网络，链路107使位置相关的测量和GPS数据传输到中央LS 108，以综合MS定位中所有的相关数据。一般地这些逻辑数据链路107覆盖下面的WCS的站间数据链路，并且在相同的物理LS安装中央LS设备，在相同的物理LS实现蜂窝WCS基础设施的移动交换中心(MSC)。对MS的中央指示或要求，即提供其接收的GPS信号数据，通过WCS数据链路109到WCSBTS/LS 110传输到MS，其为目前服务MS的WCS LS。服务蜂窝LS 110是MS将其自己的GPS数据传输到中央LS 108的最佳蜂窝，其可能不需配备与位置测量LS 105处相同的信号特征设备。从LS 110发送到MS的无线请求111也可以包括下面描述的支持或辅助信息，其可以增强MS的GPS的灵敏性和响应时间。GPS辅助信息在LS网络中从当前GPS配置的适时支持分析中产生。
基于基础设施的定位系统在LS和/或MS中采用信号处理和数据分析设备，以选取和利用从通信频带RF信号中得到的定位相关的信息，其中通信频带RF信号在MS和WCS基础设施设备之间传输。如图2所示位置测量单元(LMU)201是定位设备(PDE)基础设施设备，其嵌入在网络LS 105中用于信号检测和处理。在本发明的优选实施例中，每个LMU被连接到并接收来自GPS天线202和无线通信频带天线203的信号。服务移动位置中心(SMLC)204在“中央”采集和分析LS 108帮助集合来自LMU网络的适当的测量以计算MS位置。如下所述，SMLC可以进一步利用附加的，间接的或支持的，位置指示信息以推断可能的MS位置。这种间接信息增强了有效性或者甚至能够实现完成消除多义性的位置计算。响应来自移动位置中心(MPC)205的任何特定的位置请求，通过定位网关(LG)206选择适于该请求的SMLC，其中移动位置中心205为感兴趣的MS指定身份和服务WCS分配的数据，其中定位网关206为该请求的接收和授权以及定位结果的提供实现PDE入口。这种用于对移动站定位的技术的描述详细地描述在这里参考的现有技术中，其中移动站工作在无线通信网络中，例如蜂窝电话系统，个人通信系统(PCS)，或全球移动通信系统(GSM)。这种系统通过利用测量TDOA，TOA，TA，接收信号的功率水平，和/或AOA，其任何一个或所有能够由其他支持的间接信息增强，得到感兴趣的MS的位置。如现有技术中所述，可以得到和估算选取的测量以得到所希望的MS相对于协同操作的基础设施设备的准确知道的地面站的位置的位置。
GPS实现基于TOA测量和关联的“伪距离”的MS位置的计算，其是嵌入在MS中GPS接收机从信号中选取的，其中的信号是从轨道运行的SV的星群连续发射的信号。GPS信号的接收还涉及与每个接收的SV信号关联的多普勒频移的测量，以及多普勒值支持确定接收MS的运动。记录的现有技术包括最初的美国联邦通信委员会(FCC)电信公司案卷编号CC 94-102下的建议制定规则的通知(Notice Of Proposed Rulemaking，NPRM)，其描述了使用嵌入在MS中的GPS接收机，以当被请求，例如用于响应紧急通信而加强公众安全时，提供MS的位置，其中的MS工作在WCS下。
辅助GPS(AGPS)
通过利用从一个或更多个支持站的基础设施得到的辅助，可以增强MS的GPS接收机的简单性，有效性，灵敏性，以及响应时间。如这里引用的参考的和引入的GPS描述以及类似的，相关的文献所述，标准的(例如，非军用的)GPS接收机接收GPS SV粗/捕获(C/A)信号并通过相关信号处理选取TOA或伪距离测量，其中相关信号处理是基于已知的发射信号波形。基本的GPS C/A信号包括由50比特每秒(bps)的数据流的码分多址(CDMA)编码形成的导航信息。每个SV特别地与1023比特编码或“芯片”模式关联，其应用在1.023码片速率(million chips per second)(Mcps)下的C/A信息编码中。因此在SV传输中C/A编码每1.0毫秒(msec)重复，并且在每个传输的比特中包括20个这种重复。CDMA解调过程应用匹配的副本相关(replica correlation)检测接收的信号中码的存在，当分辨率与有效处理信号带宽成反比时，相关延迟滞后覆盖可能的TOA的范围。对于标准的SV轨道，在地球表面上或附近，从SV到MS的信号传输时间处于67到89msec的范围内，即，跨越22msec的范围，其依赖于从MS到SV的方向(对于上空的SV更近些，对于地平线上的SV更远些)。多普勒偏移频差的可能范围从上空的SV的最小值到地平线上的SV的大约4.5千赫兹(KHz)，该范围也必须被包含在信号相关计算中，多普勒频率分辨率与相关性的有效相干积分时间成反比。最后对于每个SV信号必须以其独特的CDMA码完成这些信号相关性，其中的CDMA码是MS接收机试图接收的。GPS接收机搜索这种可能的参数多样性的需要扩大了对首次定位(TTFF)的响应时间，在该时间内接收机可以生产位置估计或成功地获得与该组可用的SV信号的联系。通过支持基础设施所提供的辅助，可以简化所有这些信号处理搜索范围。
由于AGPS处理，MS可以利用辅助信息，这种辅助信息是从一个或多个支持站的网络得到的，并通过嵌入在MS中的通信设施在图1的请求信息111中传输。在Taylor等人的美国专利4,445,118中描述了用于AGPS实现的基本方法，该专利引用在此以作参考。在本发明的优选实施例中，从GPS监视站，一组支持信息可以在信息111中传输到MS以显示目前哪个SV处于上空或者在大概地平线之上以保证候选的相关搜索，对于每个候选的SV搜索何种近似和限制的多普勒频移范围是合理的，对于每个候选的SV搜索何种近似和限制的TOA范围是合理的，其中GPS监视站在基础设施LS具有LMU，LS处于与MS相同的大概附近区域或工作区域。在本发明的该实施例中，LS通过使用其自己的嵌入LMU的GPS接收机和信号监视估计，可以支持可用的SV数量和关联的多普勒和延迟搜索窗的指示，其中嵌入LMU的GPS接收机和信号监视估计连续地感应和估计GPS星群中当前可用的SV的信息和特征。这些指示也可以被增强或通过与其他GPS接收和监视站的网络得到。在该实施例中，通过在MS和WCS LS中嵌入的WCS设备，辅助信息被提供给MS。如在Taylor等人的美国专利4,445,118中所指出，MS的处理任务也可以并且更佳地通过实施PDE支持基础设施中的位置计算功能而被减轻。对于该实施例，本发明的MS使用其嵌入的通信设备以向LS基础设施提供其自己得到的GPS伪距离测量，但是不要求MS也提供GPS得到位置。如果定位支持的通信任务不是WCS负载和响应时间中的因素，则MS也能够任选地提供其解调关联的SV导航信息数据和/或其计算的MS位置或SV位置和可用的时钟信息。接着LS基础设施完成MS提供的GPS信息和独立获得的基于基础设施的LMU测量和所有相关和可用的间接信息的最佳综合，以确定MS的位置。
主要功能的互相作用
本发明的当前优选实施例实现图3所述的主要功能。图3描述图2的PDE主要部件，即LG，SMLC，以及LMU的主要功能。对感兴趣的特定MS的位置的请求来自称为移动位置中心(MPC)的逻辑部件，其在PDE外部。LG 301接收位置请求，并为其验证真实性和授权。有效的请求识别WCS服务蜂窝和关联的通信协议参数，包括分配的频率使用，其将申请WCS与MS通信。LG 302将请求提供给SMLC，其适于为MS确定位置，其中MS工作在WCS服务蜂窝的附近。选择的SMLC 303接收和检查任何请求以确定合作的LMU的列表，其中LMU对与识别的服务蜂窝关联的支持位置请求是最优的。预期需要快速支持对辅助GPS数据的请求，SMLC 304也照例地保持并估算当前GPS配置数据，该数据为GPS SV指定位置和运动参数。这些数据持续地由LMU 305通过其GPS接收机监视。LMU为SMLC提供多普勒频移，伪距离，以及相关解调的导航消息数据用于在LMU位置接收的GPS SV遥感检测流。SMLC 306接收这些周期性的从LMU传输的GPS SV数据。对于每个可能的服务蜂窝，SMLC 307周期地或在要求时估算和得到指定蜂窝位置附近可能见到的最优SV的当前列表，以及希望适于辅助AGPS接收的多普勒频移和伪距离的受限制的范围。
本发明的优选实施例利用可用的GPS配置参数的最新描述，以支持来自MS GPS接收机的减小的TTFF。SMLC 308快速地响应特定的定位请求并提供适于服务WCS蜂窝位置附近的AGPS参数。这些AGPS参数由LG 309接收并被提供给MPC和/或MSC以被在其GPS数据请求111中被传输到MS。由于本发明的综合方法，SMLC310还继续向所有LMU请求与MS位置相关的数据的生成，其中LMU最佳地被配置以在被识别的蜂窝位置服务的位置的确定中协同操作。与SMLC的请求的响应一致，LMU 311应用其信号获得和处理设备检测并选取适于支持定位计算的数据。接着这些LMU数据被提供给SMLC 312，并被SMLC 312接收，以合成在定位处理中。
在位置确定的支持中，与MS位置相关的GPS数据由MS接收机检测，其处理设备被配置为利用任何辅助。MS产生该数据以响应请求111，并将该数据传输给服务蜂窝位置110以包含在位置计算中。通过WCS，或者通过MPC或直接从MSC，MS的GPS数据可以被提供给PDE。LG313接收来自WCS的数据，或者任选地LMU314可接收、解调、和提供来自MS响应信息的MS的GPS的数据。SMLC 315接收MS提供的GPS信息，以插入到综合的定位计算中。
由于具有从LMU 312和MS 315接收的数据，SMLC 316综合所有数据得到对MS位置参数的最优可能的估计。如下面进一步的描述，从协作的LMU得到的位置相关的测量可以包括各种形式的数据和来自LMU位置和设备的位置灵敏性，其支持不同单独的精确度。同样如下面进一步详述，GPS数据可单独定义或支持独立的数据位置，具有可能的可更正的偏差，或者可以只为一组有限的不完全的信号提供伪距离和多普勒测量，其中有限的不完全的信号是由于GPS信号传播路径的堵塞或失真造成的。SMLC 316组合所有提供的数据，并将它们综合成基于概率的估算，其合并可用的任何附加的相关的间接信息，以进一步限制位置估计。适于这些综合的估算的方法和技术在下面的描述中介绍。MS位置的最终估计被提供给LG，从而LG 317能够将信息发送给MPC以响应其最初的定位请求。
依赖位置的测量
由于这里所述技术和应用的足够的精确性，在接收位置的信号到达时间(TOA)的测量直接与信号接收位置和信号发射位置之间的距离相关。信号发射-接收距离DTR，跨越发射信号的传输，其被表示为发射和接收位置，X T和X R之间的直线矢量长度，其被表示在地球中心惯性(ECI)，三维，笛卡尔坐标系统：
DTR＝|X T-X R|    (1)
发射机-接收机信号传输时间间隔，tTR，是到达时间，TOA，和发射时间，TOT，之间的差，并等于信号传输距离，DTR＝|X T(TOT)-X R(TOA)|，被射频信号传输速率除(即，“光速”)，c：
tTR-TOA-TOT＝DTR/c＝|X T(TOT)-X R(TOA)|/c    (2)
其中X R(TOA)是在“时间点(epoch)”或时间TOA接收机位置的三维矢量坐标表示，X T(TOT)是在时间点TOT发射机位置的三维矢量坐标表示。在利用射频信号传输时间关系的系统中，如式(2)所示的关系，(不变的)传输速度“c”可用基本时间测量乘，从而以距离或长度的单位直接实现测量。在同步定位系统如GPS中，用于接收的信号间隔的TOT，关于特定的和精确保持的时间标准被定义，控制，以及得知，其中时间标准是例如，GPS时间或相关的协调世界时(UTC)。使用嵌入的GPS接收机的MS被设计为接收在已知时间从SV发射的GPS信号，可用从发射的轨道确定参数计算SV的位置。通过利用测量的TOA确定MS位置的基于地面的基础设施利用时基同步(例如，同步到GPS发射)为分离的LS接收站协调时钟标准，和/或利用时间通用性联合MS处的分离的信号接收，其中的TOA是在分离的LS位置为MS所发射的信号测量的或在MS处为LS所发射的信号而测量的。通过利用时间测量和其与发射机和接收机位置之间的RF信号传输距离的关系，可以确定接收和/或发射各种信号的MS的位置。
类似地，其它数学关系将其它类型的测量(例如，TDOA，TA，功率水平，和AOA)和感兴趣的MS位置坐标关联。如另一个示例性的距离关联的测量，TDOA测量为两个不同和独立的信号接收提供两个TOA之间差的测量。对于从共同发射的信号间隔选取的TDOA测量，其中发射的信号到达位于分离的位置X R1和X R2的不同的接收站，到达时间之差，TDOA21直接与信号传输距离DR2和DR1之差关联：
TDOA21＝TOA2-TOA1
      ＝(DR2-DR1)/c＝[|X T(TOT)-X R2(TOA2)|-|X T(TOT)-X R1(TOA)|]/c    (3)
利用这种TDOA测量用于发射机位置的确定不需要共同TOT时刻或时间点的先验知识，其中在该时间发射感兴趣的信号。在使用一般通信系统传输中这种特性是有利的，这是因为发射时间不必在MS和多个LS的时基之间同步。
用于MS的TA参数，其被测量和用于通信系统同步，其也直接地与从控制LS到感兴趣的MD并返回的信号传输距离相关，即MS检测到从LS发射的信号，将其自身同步到该信号，以及以在LS检测到的合作的时间校准发出响应的发射。由于LS检测的接收的往返的时间校准偏差，除了任何MS响应电路延迟，与MS和LS之间的双向传输时间约成比例，因此TAMS被设置到这个偏差并直接与位置相关的MS和LS位置之间的传输距离，DML的两倍关联：
TAMS＝2DML/c＝2|X MS-X LS|/c    (4)
接收的信号的与距离相关的、测量的功率水平，是由其发射水平减去功耗因数，LTR，对应于其从发射机发射到被接收机检测的传输。由于使用其它相关的有影响的因数的假设的或已知值，该功耗因数可以提供信号传输距离，DTR的测量，其通过传输环境的模型表示实现：
ST/SR＝LTR(DTR，..)＝G·PL(DTR)＝G·PL(|X T-X R|)    (5)
其中SR和ST测量是接收和发射的信号功率水平测量，G是依赖于距离的因数，概括了其它有影响的因数，例如在信号传输的相关方向上的接收和发射天线“系统”增益，PL()是依赖于距离的环境路径损耗模型，其用于在配置的发射和接收天线之间的传输信号的强度。对于简单的，球形扩散的模型，
PLsph(DTR)＝[4πDTR/λ]2    (6)
其中λ是信号传输的波长。从SV到接收MS的GPS信号传输的距离差成比例的小，在GPS信号传输中对于不同SV存在明显的不同，这是由于电离层和大气的影响和MS附近的多路径反射。一般地对于MS定位，这些特征使接收的GPS功率水平的应用不合理。然而，对于功率水平是在基于地面传输的MS和一个或更多个LS之间测量的MS定位来说，位置计算可以有效地利用经验验证的传输损失模型，例如下述文章中证明的Okumura数据的Hata表示，其被包含在此以供参考：用于地面移动无线电通信中的传输损耗的经验式，M.Hata，IEEE Trans.Veh.Tech.，Vol VT-29，No.3，Aug.，1980。
由于环境和多路径传输环境中的难以预测的变化，功率水平的经验测量当被量化为dB的对数单位时，其几乎与正态或高斯分布一致。因此IHata和其它这种模型的PL()表示式中的乘数因子一般地被表示为对数项的加和减。特别地，关系式(5)中的损耗模型将根据依赖于位置的距离而表示的dB损耗与测量的发射和接收的功率水平之间的dB差关联。当通过来自附属通信系统的命令控制得知发射的功率水平时，可以为定位断言这种关系。然而，发射水平可能不能得知或从测量中得到。在这种情况下，由两个分离的接收机接收的共同发射的信号的接收水平之比可以用作两个依赖于位置的发射和接收站之间距离的与比值(或dB差)相关的量。对于每个接收位置特有的增益系数调整功率水平比或dB差。对接收的功率比或dB差的这种利用不需要关于共同传输的功率水平的可用信息。由于模型的距离依赖性，包括对数表示，MS依赖位置的信息可以从一个或更多个LS到MS和/或从MS到一个或更多个LS的传输中选取。
除了上述的与距离相关的量，信号AOA测量也提供MS依赖于位置的信息，并且这种类型的信息名义上不依赖于信号传输距离。由于AOA的测量需要获得接收位置的方向敏感的，接收的天线结构，一般地对于MS发射和LS处接收的信号选取AOA。因此对于“水平地”，几乎沿地球表面传输的通信频带信号测量AOA。一般地AOA可以被表示为从接收点到进来的信号的方向的角度，相对于真正的测地学的北极的已知固定的方向确定数值。这个关系可以被表示为
AOATR＝atan2[(X T-X R)E/(X T-X R)N]    (7)
其中atan2[]提供完全的四-象限反正切，()E和()N表示方向为从接收机位置X R到发射机位置X T的矢量的东和北分量。这种测量提供了关于可能的发射MS位置沿接收LS检测的方位线(LOB)的轨迹的信息，并且该量名义上不依赖于沿LOB从LS到MS位置的距离。
GPS SV发射机位置
由于上述的依赖位置的关系，在GPS和一些形式的基础设施系统测量中，MS位置的确定需要知道当MS是信号接收点时发射机的位置，且需要知道当MS是发射机时接收机的位置。固定的LS接收机位置可以通过测量，包括基于GPS的测量，精确地确定。由包括LS的测量确定的MS位置的精确度直接与知道LS位置的精确度相关。在使用GPS时间测量的特别重要性中，对于确定MS位置的精确度的限制依赖于知道和表示SV发射机位置的精确度。
与SV导航信息发射中的从GPS传输的天文历参数一致，描述和确定任何时刻或时间点的GPS SV位置和速度。在下面的文章中可以得到包含在来自天文历表的SV椭圆轨道位置和速度的表示和计算中的数学关系的描述：全球定位系统，理论和实践，5th Ed.，Hofmann-Wellenhof，Lichtenegger，andCollins，Springer-Verlag，1994；全球定位系统，惯性导航和综合，Grewal，Weill，and Andrews，John Wiley，2001。如这些文章中提到的，SV天文历参数被用于产生SV位置和运动参数，其表示与地球形状和其它物理特征的世界大地测量系统1984(WGS 84)描述一致。
对于每个GPS SV，天文历参数包括卫星伪随机数(PRN)特性，用于指定参数值的GPS参考时间的规范，开普勒轨道参数，以及指定开普勒椭圆和其近地点的平面校准的参数。天文历定义了关于地固地心坐标系(ECEF)的SV的位置和运动，该系统自身关于太阳固定的(惯性的)，基于春分点的ECI坐标系统旋转。尽管GPS历书数据中的天文历参数提供适于获得信号联系的若干千米的精确度，但是正是从每个SV传输的天文历(没有选择可用性SA的抖动和截断)当其用于从参考时间的合适四小时时间窗内的观察时间时，一般地使特定的ECEF卡笛尔位置的计算处于几米之内。
在“滞后解决”时间为每个SV估计SV位置的合适的特征，对于该SV可以得到伪距离测量，即，如关系式(2)所表示的，在地球表面附近的GPS接收提供TOA，但是从SV的信号的传输距离与TOT时间关联，TOT时间是信号被接收的TOA时间之前的～78±11msec。在传输期间，SV前进～300±40米(m)，因此在定位计算中、在合适的TOT为每个测量的TOA计算每个SV位置。
时基校准
如上述关系中提到的，为了确定MS在指定时间的位置，感兴趣的信号间隔的接收和/或发射时间必须能被适当的得到并被标记到处理的信号数据。用于GPS的时基，其被称为GPS时间，其被保持与美国海军天文台定义的标准精确同步。每个SV的GPS传输发生在与该SV的时钟建立的时间同步的时刻。世界各地的GPS地面站监视每个SV的位置，时间同步，以及正常状况，并向SV提供修正项，其中修正项描述用于与GPS时间标准同步的SV传输的精确解释的“当前”时间校准修正。这些时间修正参数，到二阶(to second order)，被包括在从SV发射的导航信息中。
四参数定位
由于本发明中描述的采用GPS和相关的基础设施测量以及间接信息的结合的技术，确定感兴趣的MS的特定时刻的位置X，与从该MS得到测量和信息相关，即MS位置在时间上不是特别地或必要地被假定或限制为不变，而是时间的函数，X(t)。这个的例子被表示在关系式(2)中。当在MS接收GPS信号和测量TOA时，相对于嵌入在GPS接收机中的时基时钟量化时间测量。对于SV，MS接收机的时基不是固定地与GPS时间同步的，例如，由于时钟频差(一阶修正)，MS时基至少可以从GPS时间偏移(零阶修正)和漂移。因此基本的TOA测量，被标注或“加标签”与MS时基一致，其可能相对于GPS时间校准的“真正”值偏移。因此当GPS接收机中的基本的TOA测量在为该测量确定MS时钟偏差或偏移之前，用在关系式(2)中时，其被称为提供“伪距离”的测量(而不是真正的范围或距离)。
本发明可以减轻对于GPS相关定位的典型的必要性，以可以得到至少四个，不同的，独立的伪距离测量。对于独立的GPS接收机，完成位置计算需要四个测量或定位数据，以得到MS三维坐标位置和MS时钟偏差。由于本发明，任何可用的伪距离测量被集成到位置计算中，同时任何相关的位置相关测量可以从基于基础设施的设备得到，任何关于可能的MS位置的其它相关的位置相关的间接信息可以得到。
差分GPS(DGPS)
如引用的GPS描述中所示，采用GPS伪距离测量的定位计算的精确度可以通过应用差分GPS调整被修正一些系统偏差，例如，当GPS管理引入SA，有意抖动或截断发射的时基或SV导航信息中的天文历参数时，出现这种系统偏差。当电离层修正参数，即，SV导航信息中的传播组延迟没有精确地表示沿传播路径遇到的情况时，出现其它的偏差。在MS位置计算中，通过DGPS调整的监视，估计，以及应用可以减轻或修正例如这种的偏差，DGPS调整从一个或更多个支持站的网络中得到。
通过当前检测的在站点的GPS测量和得到的用于该位置的位置参数的比较估计，为GPS监视站估计对MS位置计算的DGPS修正。基于SV的天文历表为这些SV的“已知”位置计算得到的值，并且与“已知”的值关联而为支持站位置估计得到的值。在本发明的优选实施例中，由于使用固定的/静态LS作为支持DGPS参考站，已知的LS位置是通过精确的大地测量得到。这些测量是基于并参考从GPS信号的长期综合得到的GPS值。当MS能够从足够的SV接收和选取GPS伪距离测量以产生独立的GPS位置时，则主要接收相同SV信号的、附近的支持LS能够应用对于其自身位置的当前计算位置和其先前已经知道的位置之差，作为对于MS的任何得到的GPS位置的直接修正。
对于优选实施例的更基本的是，可从支持LS的网络得到的任何修正的总数被共同地应用于MS测量。MS将其观察的伪距离测量传输给支持LS基础设施，以集成进入MS位置的基础设施计算中。假定在SV导航信息中发射了关联的当前共同SV时钟偏差和天文历参数，与在一些附近的支持参考LS观测的，其从相同SV观测的自身当前伪距离测量和与其先前已知位置一致的当前值之间的差一致，可以修正每个伪距离测量。这种差分修正减轻了伪距离测量中的本地系统偏差的影响并且加强了得到的MS位置的精确度。
可能位置确定
由于这里描述的技术，MS位置的最优估计可以从可用于MS位置确定的位置相关信息的总和得到。在接收的信号特征测量和间接信息中可以得到位置相关信息，其中间接信息表示可能的MS位置的相对概率和可能性。用于位置-状态参数估计的基于概率的技术是熟悉统计估计处理的技术人员所熟知的，并且该技术在估计理论的一般讨论中很好地被指出，例如Harry L.Van Trees在Van Trees的，John Wiley的2001年的论述：检测，估算，以及调制原理一到四部分的第一部分的2.4章表示的。如这里参考的描述中所表示的，位置参数X的“状态矢量”的候选估计的相对条件概率或可能性，其取决于矢量集Z的测量中固有的信息，通过Bayes概率关系其可以与状态条件下测量的发生的相对概率和状态先验概率相关。该概率关系可以被一般地表示为：
p(x|z)＝p(z|x)p(x)/p(z)    (8)
其中p(x|z)表示在观测具有实际由Z中的测量值得到的值的情况下，状态矢量分量为X的估计值的概率，p(z|x)表示在状态变量为X的值的情况下观测的矢量Z的值的概率，P(X)是X的状态值将发生的总的(临界)相对先验概率，P(Z)是测量的参数值为观测矢量Z发生的总的(临界)概率。在位置解决方案或最优可能性或相对概率的估计的推导中，位置独立因素，例如P(Z)项是不重要的。
由于包括在独立数据元概率的组合中的标准统计考虑，独立数据元的共同组合的概率或可能性是独立数据组自身概率的产物，例如，由于本发明的技术，来自不同源的不同类型数据的集合统计地组合独立数据。当通过概率对数的最大值得到概率的最大值时，则产生的概率关系被累加作为“对数可能性”之和。
用于最大值或最大可能值的参数位置解决一般地通过采样或计算似然函数值得到，其用于跨越可能的值的整个范围的一组离散位置参数值。采样间隔或网格空隙一般地从稀疏网格开始，其足以表示可能的最优值的局部区域，接着采样网格的网孔在后来的迭代中被逐渐地改善，其集中在有限范围的最优区域。最终结果被估计为起作用的测量精确度支持的分辨率。由于参考文献中描述的对于统计分析的补充程序，在集中于最优值的区域和测量支持的固有分辨率中应用基于梯度的计算。除了上述参考中引用的统计定位计算的描述，在Harold W.Sorenson关于一般参数估计的论述中和Roy E.Bethel关于用于位置确定的离散采样似然函数的合适估计的论述中可以得到进一步的描述：最小平方估计：从Guss到Kalman，H.W.Sorenson，IEEE Spectrum.，No.7，Jul.，1970；和PDF跟踪系统，R.E.Bethel等人，IEEE Trans.On AES，Vol.30，Apr.，1994；和Hodson在1991年9月3日的美国专利5,045,860，“用于目标位置的概率确定的方法和装置”。
在概率计算中估计的数据或信息可能伴随着不同形式的噪声或不确定性分布。如在上述引用的参考文献中所述，测量或数据导出系统一般地被表示为产生具有误差或背离真值的标准或高斯分布的信息。如上面关系式(2)到(7)中所示，可用的位置相关数据的矢量Z一般地可以被表示为位置状态矢量X的非线性函数h()加上另外的噪声分量矢量V。该关系式被表示在观测方程中：
Z＝h(X)+V    (9)
方程h()旨在精确地表示数据和希望的位置状态参数之间的真正联系。因此对于噪声的期望值“E()”为零(即，噪声是无偏的)，并且在一般假定下，观测不确定性由高斯协方差矩阵表示，R：
E(V)＝0和E(VV T)＝R    (10)
当数据或“伪”测量包括一个或更多个希望的状态参数的“直接”测量，乃至“高斯”约束时，也可以使用这些表示，例如，如果可用的数据包括完全状态矢量的GPS“测量”，则用于这些数据的观测函数是线性恒等函数，h(X)＝X，不确定矩阵是位置协方差，P，其显示了在观测的状态参数的误差中存在不确定相关性。通常，由于来自不同的，物理不同的测量系统的测量，假定对于每个数据源的误差分布是互相独立或不相关的，并且测量协方差矩阵的相应的非对角分量为零。由于对标准统计的上述假定，则关系(8)中的相对概率或可能性对于数据矢量的作用被表示为：
PG(z|x)≈exp[-1/2(Z-h(X))TR-1(Z-h(X))]    (11)
忽略与X独立的项。在可选的情况下，当测量数据误差更不紧密的分布并且显示为更精确地由指数或拉普拉斯统计表示时，则对于具有对角均方差偏离矩阵的，独立的无偏的测量，
E(VmVn)＝σm 2δmm  (12)
其中当m＝n时，δmm＝1，否则为0，对于拉普拉斯分布数据矢量的相对概率或可能性影响被表示为：
P L ( z ‾ | x ‾ ) ≈ exp [ - 2 ( σ - 1 ) T ( | Z ‾ - h ‾ ( X ‾ ) | ) ] - - - ( 13 )
再次忽略了与X独立的项，并用“(σ-1)”表示分量等于rms误差期望值的逆的矢量，σm和“(|Z-h(X)|)”表示分量等于单独测量改进或余数的绝对值的矢量(|Z-h(X)|)m＝|Zm-hm(X)|。例如(11)和(13)的关系式，以及对于探索法观测的误差分布的可能性因数的类似处理，提供了用于将不同观测的影响集成到位置参数最优值的概率确定的基本方法。
如在关于GPS和关联的坐标和测量的论述中的上述描述，一般地状态矢量X将是四参数矢量，包括三个MS位置坐标和一个MS时钟偏差坐标，并且一般地测量矢量将是四个或更多测量的矢量。然而，如下面更详细的描述中指出的，当可以得到关于MS可能位置的先验信息以限制可能位置的范围时，则测量矢量的维数可以被减少并仍产生可接受的精确的MS位置。由于应用关系式(8)，对于最大概率或最大可能性状态估计，可以得到关于MS位置的最优估计，其最大化集成任何可用的间接信息和所有可用的测量信息的组合产生概率，其中的信息是基于GPS和基于基础设施的。
应用本发明的技术，基于GPS测量和基于基础设施测量和关联信息的优化综合实现了MS位置的获得，即使当没有从单独的基础设施或单独的GPS测量得到足够的信息而以可用的精确度来定位时也是如此。一般的GPS精确度，具有小的不确定性的圆面积，其当可以得到开放视野的天空时可以被实现，从而能够从MS上空和周围大约均匀分布的卫星成功地接收SV信号。然而，在大城市中心地区高大建筑物的城市低谷中的信号传输环境可能导致堵塞的信号接收，从而阻止接收用于独立的GPS解决方案的足够的一组GPS SV信号。当MS处于建筑物内部和/或当只有可观测的SV信号来自SV时，这种情况尤其普遍，其中SV沿天空/上空的弧排列，沿建筑物的“墙”形成的路径或条带下降，其中建筑物在MS工作的相对直和窄的街道的任何一边。在这种“城市峡谷”的环境下，来自SV的信号可能足以显示相对街道为横向的长的，窄的区域，其中的街道可能是MS的位置，但是在与沿街道的接收的SV排列横向的方向上，这个可能区域的不确定性将是非常大的。在其它环境下，植物和地形特征能够堵塞一些SV信号并阻止四个SV伪距离的标准最小值的MS中的测量。由于本发明中的GPS和基础设施信息的综合，通过可以在基于基础设施测量中得到的附加的信息，可以得到精确的定位解决方案，其中基于基础设施的测量是从在MS和LS之间的主要“水平”平面中传输的通信频带信号中选取的。
间接信息
关系式(8)中表示的Bayes概率关系实现了以多种补充方法利用和应用支持的间接信息。如上面和参考文献中所述的，给定可用的测量和相关的信息，关于发生的总的可能性，可以估计可能的MS位置的范围。如关系式(2)到(7)中所示，每个标准量度特征能够被表示为在特定时间感兴趣的MS位置的非线性函数。此外，一些类型的间接信息可以被表示在MS状态参数的一个或更多个约束关系式中，例如，当在三维ECEF坐标系统中计算一般的GPS解决方案时，当已知MS被置于地面附近而不是在空中时，最终位置估计可能被限制为与在地球中心的ECEF原点相距一段距离，以有效地将该位置置于(或几乎置于)地球表面。这种和类似的限制可以被包括在可能性计算中，其或者通过预处理与候选位置关联的先验概率，或者通过有效地包括“伪测量”，其中伪测量将不同约束和不确定性的范围表示为位置的函数。
对MS可能位置的已知统计的有效利用能够应用在可能性计算中。对于蜂窝电话定位，用于电话使用的相关位置的统计分布可以从搜集的统计或数据库得到，例如，在人口密集的城市环境中电话使用的统计显示MS电话更可能在城市道路网的街道上或其旁边，并且类似地在人口稀疏的农村环境中工作的统计可能显示MS电话更可能在通过农村地区的公路或干道上或其旁边。道路或公路网的道路位置的精确表示可以从标准的地图数据库获得，其中的地图数据库包括由民政当局维护的数据库。因此覆盖可能位置的候选范围的概率因数分布的放置，例如，关系式(8)中的p(x)项，可能优先地限制可能的位置使其落入道路上或在道路旁。为了进一步的精确度和实现相关概率的表示，地球表面的道路位置的二维描述可以在空间上“低通”滤波。这种滤波可以降解(de-resolve)或平滑先验可能性表示，从而在道路附近或在道路上真正地提高概率，但是在相对道路横向的方向上概率缓慢地下降或展开/消除到实际的程度。实际上，本发明的可用统计的有效利用可以被递归地增加，加强，并用于提高概率表示，这是因为统计是从本发明得到的位置搜集到的。
间接关系
为了支持GPS信息和基于基础设施信息的综合，用在位置计算中的共同坐标系统必须精确地表示两种类型的信息。如上面指出的，一般地GPS计算使用ECEF坐标系统来实现，ECEF坐标系统精确地表示在地面或地面上方的SV和感兴趣的MS的位置和速度。到此为止，用在信息的单独使用中的坐标系统一般地借助于LS的本地附近范围内的地球表面的平面投影，其中的信息是关于用于蜂窝位置确定的LS基于地形网络的信息。在这种现存的基于基础设施定位的系统中，位置系统的可用工作范围的地理范围被限制到足够小的区域，从而地球表面的曲率没有影响观测的关系到可测量的程度。一般地基于地形的LS天线的测量位置是以大地纬度，经度，以及地平面以上(agl)的高度，和平均海平面以上(amsl)的本地地平面的相关高度表示的。一般地将基于椭圆体的大地坐标转换为平面坐标系统应用正形投影，例如朗伯正形圆锥或通用横向墨卡托(UTM)投影，如在John P.Snyder的文章中描述的：地图投影-操作手册，Snyder，U.S.Geological SurveyProfessional Paper 1395，US Government Printing Office，1987；地图投影，参考手册，Bugayevskiy和Snyder，Taylor&Francis，1995。
为了组合GPS数据和基础设施信息，本发明的优选实施例应用GPS标准ECEF坐标系统和可信的本地高度表示的转换以提供所有相关位置关系的精确表示。同时在每个LMU位置的GPS天线和接收机为与该位置的通信天线的高度(agl)的差分比较提供直接的WGS 84依据。包括检测的或统计的信息与候选MS位置之间的关系的可能性计算可以被简单地在三维，基于WGS 84的ECEF笛卡尔坐标系统中实现，其中ECEF笛卡尔坐标系统是使用GPS数据的标准。与该系统一致转换对于LS天线和间接信息的所有位置描述，以用于定位估计。
这里引用的GPS相关坐标转换的论述，例如，Bugayevskiy和Snyder的第一部分和Hofmann-Wellenhof，Lichtenegger，以及Collins的第十部分，描述了包含在将ECEF坐标值与相应值关联中的计算，其中的值是水平(纬度，经度)位置和平均海平面以上的海拔或高度，是根据本地大地坐标表示的。GPS坐标转换是基于地球形状的WGS 84的参数表示的。因此表示为旋转的椭圆体的地球的WGS 84表示提供了计算的位置结果的表示中的大地测量基础。在任何本地定位系统的工作范围中，根据WGS 84大地纬度，经度以及WGS 84椭圆体以上的高度和/或本地大地表面的平均海平面以上的高度，量化该结果，其中根据WGS 84椭圆体表面以上的高度描述本地大地表面的平均海平面以上的高度。如上面提到的，当感兴趣的MS能够被合理地假定为处于本地大地水平面，则该高度可以被限制到WGS 84椭圆体以上的本地表示的水平面。在这种情况下，在可能性考虑中位置估计只需要跨越与可用的观测或测量的全体相关的纬度和经度范围。
对于可选的坐标系统表示，用于SV的瞬时位置和速度参数的ECEF系统值可以被转换到“地球(east-north-up)(ENU)”坐标系统，该系统便于用于可用的LS的本地区域。然而在本发明的可选实施例中使用这种系统将需要附加的SV坐标的坐标系统转换，从自然用于GPS天文历的ECEF系统转换为与WGS 84椭圆体相切和垂直的本地ENU系统。这种可选的实施方案可能采用这种坐标系统的相似性和接近性，用于地球表面的本地，平面，优选的正形投影。对于这种用途，SV关于适当的“向上”方向的瞬时位置和速度矢量关系的考虑是必要的。
受约束的TDOA/FDOA
由GPS/AGPS(甚至EOTD)接收机计算的伪距离可以与基于网络的位置测量合并，其中位置测量是例如TOA，TDOA，AOA，相对功率，以及往返延迟，以计算更精确和加强的解答。例如，受约束的TDOA/FDOA可用被用在GPS/AGPS环境中。可以由辅助GPS接收机搜集的数据的组合确定该约束，其限制由卫星的位置和速度所产生的时间偏移或多普勒影响，和使用GPS/AGPS计算的位置，基于网络的位置方法，或组合确定的约束。受约束的TDOA/FDOA可以减轻GPS接收机的处理负担，并通过消除多数假警报的机会而提高灵敏性。对于进一步的背景技术，参考2001年7月18日递交的美国专利申请09/908,998，“用于估计无线定位系统中TDOA和FDOA的改进的方法”，该申请全部被包含于此以供参考。
增强的GSM同步
可采用增强的同步技术以增加系统灵敏性，以显示GSM信标和其各自对GPS时间的映射。使用该技术，Abis显示器(或Abis显示系统，或AMS)可以被用于提供同步信息，其中的同步信息将部分地描述对GPS时间的绝对帧数(FN)的映射。AMS提供的参数包括RFN(减少的帧数，T1′，T2，T3)-GSM帧数的部分描述。该信息可以与观测和计算组合以进一步找到时间解决方案，其中观测和计算是通过LMU监视下行链路通道直接产生的。对于在无线定位系统中使用AMS的进一步信息，参考2001年7月18日递交的美国专利申请09/909,221，“监视无线定位系统中的呼叫信息”，其在2002年4月4日公布，公布号是US-2002-0039904-A1，其全部被包含于此以作参考。
用于增加容量/服务水平的混合AGPS/TDOA/AOA系统
在多个设备供应商的GSM环境中，将存在许多基于位置的服务，每种具有不同的精确度，呼叫状态，以及等待时间需求。同时，定位技术应该被设计为解决真实世界的通信量和负载需求。组合的TDOA/AGPS系统提出了用于面对无线定位系统的多种挑战的理想系统。
1.当需要早的，加强的呼叫路由选择的情况下，TDOA是最好的。
2.当使用者处于呼叫情况时，TDOA是最好的，其没有附加的通信量负载。
3.当MS空闲或该位置对等待时间不敏感时，AGPS是最好的。
4.当系统负载轻时，AGPS是最好的/最精确的。
5.当系统负载重时，TDOA是最好的。
6.当系统需要高的精确度时，TDOA和AGPS可以被结合使用。
7.当传统电话(没有GPS能力的电话)工作时，TDOA是最好的。
根据定位等待时间的需要、呼叫状态和网络状态在两个方法(基于手持机的和基于网络的)之间向前切换和向后切换的能力提供了实质性的好处。此外，使用AMS确定呼叫状态对于这种组合方法的成功是重要的。
结论
在前面的说明书中阐述了本发明的原理，优选实施例，以及工作模式，现在从中更明显的是本领域普通技术人员可以实施合适的数据处理以实现描述的技术。这里公开的实施例应该被解释为说明本发明而并不是限制本发明。前面的公开不是旨在以任何方式限制对于本领域普通技术人员可用的等同结构的范围，而是以先前没有想象的方式扩展等同结构的范围。可以对前面说明的实施例进行许多变化和改变，而不脱离本发明的范围和精神，如随附的权利要求中说明的。
因此，本发明的真正范围不是受这里公开的当前优选实施例限制的。例如，无线定位系统的当前优选实施例的前述公开使用说明性术语，例如位置测量单元(LMU)，服务移动位置中心(SMLC)，等等，其不应被解释为限制下述权利要求的保护范围，或者表示系统的发明性的方面是受限于公开的特殊方法和装置。而且，如本领域技术人员将理解的，这里公开的发明性的方面可以用于不是基于TOA和/或TDOA技术的定位系统。例如，无线定位系统确定TDOA和/或FDOA值的方法可以被用于非TDOA系统。类似地，本发明不是限于使用LMU的系统和被解释为上述的其它子系统。LMU，SMLC，等待本质上是可编程的数据搜集和处理设备，其将采用多种形式而不脱离这里公开的发明原理。给定数字信号处理和其它处理功能的降低的费用，其可能例如，将用于特殊功能的处理从这里描述的功能性元件转换为另一种功能性元件，而不改变系统的发明性操作。在许多情况下，这里描述的执行位置(即功能性元件)只是设计者的优先选择而不是硬性要求。因此，除了下述权利要求被清楚地如此限制，下述权利要求的保护范围不是旨在受上述的具体实施例的限制。

Claims (24)

1.一种用于确定移动站MS的位置的方法，其中所述移动站配备嵌入的GPS信号接收能力和被配备为在基于全球移动通信系统GSM的无线通信网络中工作，所述方法包括：
(a)在地面站接收GPS数据，所述GPS数据是从所述将被定位的MS接收的；
(b)在配备位置测量装置的地面站，从所述将被定位的MS接收支持GSM的通信频带信号，并使用所述位置测量装置从所述通信频带信号选取位置相关的特征数据；以及
(c)在配备用于定位计算的地面站，使用所述GPS数据和所述选取的位置相关的特征数据执行定位计算，以得到对于所述MS的估计的位置，其中从所述通信频带信号选取的所述位置相关的特征数据包括关于信号强度或传播损耗PL的数据。
2.如权利要求1所述方法，进一步包括向所述将被定位的MS提供辅助数据，所述辅助数据使所述MS接收GPS粗/捕获信号并选取到达时间TOA或伪距离测量，其中所述TOA或伪距离测量接着被传输到所述配备位置测量装置的地面站。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括将所述GPS数据和所述选取的位置相关的特征数据传输到所述配备用于定位计算的地面站。
4.如权利要求1所述的方法，其中从所述通信频带信号选取的所述位置相关的特征数据包括到达时间TOA数据。
5.如权利要求1所述的方法，其中从所述通信频带信号选取的所述位置相关的特征数据包括到达时间差TDOA数据。
6.如权利要求1所述的方法，其中从所述通信频带信号选取的所述位置相关的特征数据包括到达角AOA数据。
7.如权利要求1所述的方法，其中从所述通信频带信号选取的所述位置相关的特征数据包括定时提前量TA数据。
8.如权利要求1所述的方法，进一步包括在执行所述定位计算中使用间接信息。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述方法被用于实现用于E-911的可应用的美国联邦通信委员会FCC精确度要求。
10.一种用于确定移动站MS的位置的系统，其中所述移动站配备嵌入的GPS信号接收能力和被配备为在基于全球移动通信系统GSM的无线通信网络中工作，所述系统包括：
(a)用于向将被定位的所述MS提供辅助数据的装置，所述辅助数据使所述MS接收GPS粗/捕获信号并选取到达时间TOA或伪距离测量；
(b)用于接收GPS数据以用在定位计算中的装置，所述GPS数据是从所述将被定位的MS接收的；
(c)配备位置测量装置和接收机的地面站，其用于从所述将被无线定位的MS接收支持GSM的通信频带信号并使用所述位置测量装置从所述通信频带信号选取位置相关的特征数据；以及
(d)被配置为用于定位计算的地面站，包括用于执行所述定位计算的处理器，其使用所述GPS数据和选取的所述位置相关的特征数据以得到对于MS的估计位置，其中从所述通信频带信号选取的所述位置相关的特征数据包括关于信号强度或传播损耗PL的数据。
11.如权利要求10所述的系统，进一步包括用于将所述GPS数据和所述选取的位置相关的特征数据传输到所述配备用于所述定位计算的所述地面站的装置。
12.如权利要求10所述的系统，其中从所述通信频带信号选取的所述位置相关的特征数据包括所述到达时间TOA数据。
13.如权利要求10所述的系统，其中从所述通信频带信号选取的所述位置相关的特征数据包括到达时间差TDOA数据。
14.如权利要求10所述的系统，其中从所述通信频带信号选取的所述位置相关的特征数据包括到达角AOA数据。
15.如权利要求10所述的系统，其中从所述通信频带信号选取的所述位置相关的特征数据包括定时提前量TA数据。
16.如权利要求10所述的系统，进一步包括在执行所述定位计算中使用间接信息。
17.如权利要求10所述的系统，其中所述系统实现用于E-911的可应用的美国联邦通信委员会FCC精确度要求。
18.一种用于确定移动站MS的位置的系统，其中所述移动站配备嵌入的GPS信号接收能力和被配备为在基于全球移动通信系统GSM的无线通信网络中工作，所述系统包括定位设备PDE，所述定位设备包括：多个位置测量单元LMU(201)，每个测量单元嵌入在网络地面站LS(105)中用于信号检测和处理，其中每个LMU被连接到GPS天线(202)和无线通信频带天线(203)并接收来自GPS天线(202)和无线通信频带天线(203)的信号；在中央采集和分析地面站(108)的服务移动位置中心SMLC(204)，所述SMLC被配置为用于集合来自LMU的测量并计算MS位置；在中央采集和分析地面站LS(108)的定位网关LG(206)，所述定位网关LG被配置为用于接收来自移动位置中心MPC(205)的位置请求，其中所述移动位置中心MPC用于为感兴趣的MS指定身份和服务无线通信系统WCS分配数据，所述定位网关为该接收和位置请求以及为向所述MPC提供定位结果而提供PDE入口；
特征在于所述系统被编程和配置成执行下列步骤：
在所述LG接收来自所述MPC的对感兴趣的特定MS的位置请求(步骤301)，所述LG验证该位置请求的真实性并授权，其中有效的请求识别服务蜂窝和关联的通信协议参数，包括分配的频率，其将申请与所述MS通信；
所述LG向SMLC提供所述请求，该SMLC适于为工作在服务蜂窝附近的MS确定位置(步骤302)；
所述选择的SMLC接收和检查任何请求以确定合作的LMU的列表，其中LMU对于支持与识别的服务蜂窝关联的位置请求是最优的(步骤303)；
预期需要快速支持对辅助GPS数据的请求，所述SMLC保持并估算当前GPS配置数据，该数据为GPS卫星空间飞行器SV指定位置和运动参数(步骤304)，其中这些数据持续地由LMU通过其GPS接收机监视(步骤305)，并且其中所述LMU为所述SMLC提供多普勒频移，伪距离，以及相关解调的导航消息数据用于在所述LMU位置接收的GPS SV遥测流；
所述SMLC接收这些周期性地从所述LMU传输的GPS SV数据(步骤306)；对于每个可能的服务蜂窝，所述SMLC估算和得到指定蜂窝位置附近可能见到的最优SV的当前列表，以及期望适于辅助AGPS接收的多普勒频移和伪距离的限制的范围(步骤307)；并且
为了利用可用的GPS配置参数的最新描述，以支持来自MS GPS接收机的减少的首次定位时间TTFF，所述SMLC响应特定的位置请求并提供适于所述服务蜂窝位置附近的AGPS参数(步骤308)，其中这些AGPS参数由LG接收(步骤309)并被提供给所述MPC以在一个GPS数据请求中被传输到所述MS。
19.如权利要求18所述的系统，进一步的特征在于，所述SMLC还继续向最佳地被配置以在被识别的蜂窝位置所服务的位置的确定中协同操作的所有LMU请求与所述MS位置相关的数据的生成(步骤310)。
20.如权利要求19所述的系统，进一步的特征在于，所述LMU应用其信号获得和处理设备检测并选取适于支持定位计算的数据(步骤311)，接着由LMU所检测并选取的所述数据被提供给所述SMLC，并被所述SMLC接收，以综合入定位处理中(步骤312)。
21.如权利要求20所述的系统，进一步的特征在于，在位置确定的支持中，与所述MS位置相关的GPS数据由MS接收机检测，所述MS接收机的处理设备被配置为利用任何辅助，所述MS产生该数据并将该数据传输给所述服务蜂窝位置以包含在位置计算中，其中通过无线通信系统WCS将所述MS的GPS数据提供给所述PDE，其中所述LG接收来自WCS的数据(步骤313)，或者可选地所述LMU接收、解调、和提供来自MS响应信息的所述MS的GPS的数据(步骤314)。
22.如权利要求21所述的系统，进一步的特征在于，所述SMLC接收所述MS提供的GPS信息，以插入到综合的定位计算中(步骤315)。
23.如权利要求22所述的系统，进一步的特征在于，由于具有从所述LMU和所述MS接收的数据，所述SMLC综合所有数据得到对MS位置参数的最优可能的估计(步骤316)。
24.如权利要求23所述的系统，进一步的特征在于，从协作的LMU得到的位置相关的测量包括各种形式的数据和来自LMU位置和设备的位置灵敏性，其支持不同单独的精确度，并且GPS数据可单独定义或支持独立的数据位置，具有可能的可更正的偏差，或者可以只为一组有限的不完全的信号提供伪距离和多普勒测量，其中有限的不完全的信号是由于GPS信号传播路径的堵塞或失真造成的，其中所述SMLC组合所有提供的数据，并将它们综合进基于概率的估算，其合并可用的任何附加的相关的间接信息，以进一步限制位置估计。
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